隧道洞口預(yù)加固樁作用機(jī)理研究

柏 署，易震宇，傅立新，王海林

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008)

0 引言

我國高速公路建設(shè)已進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期，公路隧道的建設(shè)也已進(jìn)入井噴階段，而與之相伴的是各種各樣的問題也凸現(xiàn)。尤其是洞口施工中，由于埋深淺，地形、地質(zhì)條件差，洞口處理是整個(gè)隧道最關(guān)鍵而又最復(fù)雜的環(huán)節(jié)之一。

隧道洞口巖土受力變化與隧道洞內(nèi)地段存在區(qū)別，有其特殊性。一般而言洞口設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到隧道的安全進(jìn)洞及今后的運(yùn)營(yíng)安全，尤其在不良地質(zhì)地段，隧道洞口設(shè)計(jì)更是需要得到充分的考慮。洞口部位一般來說，地形和地質(zhì)等的圍巖條件都是不穩(wěn)定的，埋深小、難于形成承載拱，由于地形地質(zhì)、地下水、降雨等條件，易引發(fā)施工時(shí)的崩塌、滑動(dòng)、地表面下沉、偏壓、掌子面崩塌等，如何采取有效的施工方法對(duì)隧道的安全進(jìn)洞以及今后的運(yùn)營(yíng)安全都具有至關(guān)重要的作用。

隧道洞口病害產(chǎn)生的主要原因是由于隧道洞口開挖，改變了地表形態(tài)，形成路塹、洞口邊坡、仰坡，從而改變了洞口區(qū)域的巖土內(nèi)力分布，引起應(yīng)力重調(diào)整，臨空面應(yīng)力松弛，在地質(zhì)復(fù)雜地段就會(huì)導(dǎo)致仰坡的坍塌，誘發(fā)滑坡等地質(zhì)病害。如果病害發(fā)生，要處理這些病害困難、費(fèi)用高，投入運(yùn)營(yíng)后，也極易受自然災(zāi)害的威脅。

隧道洞口設(shè)計(jì)施工，就是根據(jù)洞口地形條件與洞口地形協(xié)調(diào)，保護(hù)自然環(huán)境，按照“不破壞是對(duì)環(huán)境最大的保護(hù)”的理念，采取“早進(jìn)洞、晚出洞”，減少洞口開挖，提早施作明洞或洞門結(jié)構(gòu)，來減少病害的發(fā)生，但在實(shí)際施工中，洞口坍塌、滑坡的現(xiàn)象也經(jīng)常出現(xiàn)，故如何事先有針對(duì)實(shí)際地質(zhì)情況，做好洞門設(shè)計(jì)施工來保證隧道順利建設(shè)的重要條件是我們要考慮的問題［1］。

1 常用處理手段

目前針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)洞口處置常用方案有3種，一是鋼管坡體注漿，通過注漿改變洞口大片影響區(qū)域的巖土性質(zhì)，形成人工石山，確保施工進(jìn)洞安全。一是采用抗滑樁，洞口抗滑樁一般先假定洞口土體處于極限平衡狀態(tài)，反推出巖土C、φ值，再根據(jù)開挖后斷面，計(jì)算坡體下滑推力，按照規(guī)范確定的安全系數(shù)(一般為1.35)計(jì)算抗滑樁尺寸和鋼筋配置，采用抗滑樁對(duì)滑坡進(jìn)行分段阻滑時(shí)，每段宜以單排布置為主，若彎矩過大，應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力錨拉樁。在災(zāi)害發(fā)生時(shí)，采用抗滑樁方案較常見，抗滑樁截面形狀以矩形為主，截面寬度一般為1.5～2.5 m，截面長(zhǎng)度一般為2.0～3.5 m。第三是采用錨索或長(zhǎng)錨桿配合混凝土框架梁對(duì)山體進(jìn)行錨固。

第一種方案是因隧道開挖有可能發(fā)生滑動(dòng)、坡面崩塌時(shí)，在隧道開挖之前、對(duì)坡面進(jìn)行處理的常用方案，特點(diǎn)是工程量不容易控制，特別是注漿量控制困難大，加固效果差異大，影響因素多，通常還在隧道施工中再增加一些措施。

第二種方案由于理論限制，不用則已，一用就尺寸較大，特別是，隧道開挖邊仰坡后山體逐漸升高，計(jì)算下來，推力驚人，故在設(shè)計(jì)過程中主動(dòng)采用較少，一般要山體發(fā)生滑動(dòng)，才作為處置方案使用。

第三種方案由于只適用于巖石地質(zhì)，對(duì)于松散土體，損失大，效果較差。

本文針對(duì)此種情況進(jìn)行研究，提出一種預(yù)加固理論，以求采用一種比較經(jīng)濟(jì)合適的預(yù)防加固措施，來保證特殊地質(zhì)條件下隧道洞口施工和運(yùn)營(yíng)安全。

2 預(yù)加固樁計(jì)算分析

2.1 模型建立

開挖明洞前，在隧道洞身明暗分界處的左右兩側(cè)各布設(shè)1根加固樁，如圖1所示。

圖1 洞口預(yù)加固樁布置示意圖

簡(jiǎn)化后，模型原始邊坡實(shí)體長(zhǎng)寬均為100 m，最低高度35 m，最高點(diǎn)高度100 m。自上而下分為土、風(fēng)化巖和基巖3層。隧道跨度12 m，最大埋深60 m，依次穿越各巖層。隧道洞口邊坡坡比1∶1(如圖2)。

圖2 預(yù)加固樁計(jì)算模型示意圖

各材料參數(shù)見表1。

2.2 施工計(jì)算步驟

為了便于對(duì)比分析，本項(xiàng)目采用在同一模型中，不同的施工步驟，來確定預(yù)加固樁的作用機(jī)理和在抵抗變形中的效應(yīng)。

一般情況下的隧道施工步驟為:隧道邊仰坡及明洞開挖，暗洞開挖，暗洞支護(hù)(圖3～圖6)。

預(yù)支護(hù)下的隧道施工，主要是指在開挖擾動(dòng)原狀山體前，先施作洞口加固樁，在加固山體的同時(shí)，也能平衡開挖后臨空面土體的下滑力。預(yù)加固施工步驟:洞口預(yù)加固樁(圖7);隧道邊仰坡及明洞開挖，暗洞開挖，暗洞支護(hù)。

表1 材料參數(shù)表

圖3 原狀山體計(jì)算模型示意圖

圖7 開挖前預(yù)加固樁支護(hù)計(jì)算模型示意圖

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過比較是否施作預(yù)加固樁的模型的位移云圖(圖8，圖9)，可以發(fā)現(xiàn)，明暗交界處的總體位移量有較為明顯的差別，未施作預(yù)加固樁模型在拱頂處位移較大，而施作預(yù)加固樁后，大部分的土壓力由樁承擔(dān)，因而位移較小。

在模型中取對(duì)各施工步最敏感的明暗交界點(diǎn)拱頂處的變形量進(jìn)行分析(圖10)，可以發(fā)現(xiàn)采用預(yù)加固樁預(yù)支護(hù)后，該節(jié)點(diǎn)變形量比未采用預(yù)支護(hù)減少了近90%，隨著后續(xù)洞身施工的進(jìn)行，引起的應(yīng)力逐漸釋放，節(jié)點(diǎn)位移相應(yīng)增大，最終位移為未采用預(yù)支護(hù)狀態(tài)的60%。

圖10 節(jié)點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)語

1)洞口施工改變了地表形態(tài)，形成路塹、洞口邊坡、仰坡，從而改變了洞口區(qū)域的巖土內(nèi)力分布，引起應(yīng)力重調(diào)整，臨空面應(yīng)力松弛，預(yù)加固樁能承擔(dān)破壞原狀山體受力平衡后產(chǎn)生的應(yīng)力，因而能有效減少因洞口開挖而導(dǎo)致的變形。

2)預(yù)加固樁對(duì)洞口開挖時(shí)支護(hù)效果明顯，洞口附近洞身段開挖引起的應(yīng)力釋放支護(hù)作用不大。

3)預(yù)加固樁宜用于埋深小、難形成承載拱或由于地形地質(zhì)、地下水、降雨等條件，易引發(fā)施工時(shí)的崩塌、滑動(dòng)、地表面下沉、偏壓、掌子面崩塌的復(fù)雜地質(zhì)條件隧道洞口施工。

［1］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算(第二版)［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［2］黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法［J］.水電站設(shè)計(jì)，1999，15(1):53 －58.

［3］Sloan SW.Lower bound limit analysis using finite elements and linear Programming［J］.International journal for Numerical and Anatytical Methods in Geomechanics.1989，12:61 －67.

［4］陳文勝，柏 署，楊 燕.離散元計(jì)算的位移控制方法［J］.巖土力學(xué)，2007(7).

［5］林 峰，黃潤(rùn)秋.邊坡穩(wěn)定性極限平衡條分法的探討［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1997，8(4):9 －13.

［6］JTG D30—2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.